王 遠(yuǎn)，王治華，劉 伍

（上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072）

杭州灣北部位于上海金山區(qū)和洋山島之間，隨著東海大橋通行、洋山深水港投產(chǎn)以及上海金山港旅游航線的開(kāi)通，區(qū)域經(jīng)濟(jì)日趨活躍[1]。

在長(zhǎng)江口岸帶及杭州灣海域，已開(kāi)展過(guò)大量基礎(chǔ)性地質(zhì)調(diào)查，但尚未對(duì)杭州灣北部地區(qū)海底天然氣進(jìn)行全面深入的研究。本文利用地球物理探測(cè)中的淺地層剖面測(cè)量[2]，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的海底天然氣進(jìn)行了調(diào)查，并利用專業(yè)地震解釋軟件分析研究淺層氣在地震剖面上的特征，并據(jù)此圈出淺層氣的分布范圍，為未來(lái)海洋工程建設(shè)和淺層氣的資源開(kāi)發(fā)與災(zāi)害防治提供依據(jù)。

1 淺層氣的成因及儲(chǔ)存運(yùn)移特征

淺層氣是指埋藏深度比較淺、儲(chǔ)量比較小的各類(lèi)天然氣資源。主要包括生物氣、油型氣、煤層甲烷氣、水溶氣等。一般情況下，在沉積作用強(qiáng)烈的地區(qū)，由于地層沉積速度快，地層壓力來(lái)不及釋放，使地層內(nèi)的氣體聚集而形成[3]。根據(jù)生、儲(chǔ)地層的不同一般分為兩類(lèi)：第一類(lèi)存在于含泥炭夾層且富含有機(jī)質(zhì)的地層，多屬于古三角洲和河流相地層，在生、儲(chǔ)模式上屬于自生自儲(chǔ)或局部運(yùn)移；第二類(lèi)來(lái)源于地層深部，多為石油天然氣沿?cái)嗔训攘严渡仙纬?，又稱為高壓淺層氣。兩類(lèi)氣體通常均以層間氣和沉積物中氣的形式存在[4]。沉積物中的氣體改變了沉積地層的力學(xué)性質(zhì)，使其結(jié)構(gòu)變松，強(qiáng)度降低。在外荷載作用下，含氣沉積物會(huì)發(fā)生蠕變，導(dǎo)致下陷或滑動(dòng)。層狀儲(chǔ)集的淺層氣層，其含氣量大，有一定壓力，如果海洋平臺(tái)等工程的樁基礎(chǔ)坐落其上，氣體釋放易造成設(shè)備受損或“井噴”等事故，因此其也是海洋地質(zhì)災(zāi)害的一個(gè)因素[5,6]。

2 調(diào)查區(qū)地質(zhì)背景

本文的調(diào)查研究區(qū)域?yàn)楹贾轂潮辈浚▓D1）。

圖1 調(diào)查研究區(qū)位置示意Fig.1 The location of investigation area

該區(qū)域位于東亞大陸構(gòu)造域的江山—紹興—韓國(guó)光州深斷裂北側(cè)附近，這一斷裂在新構(gòu)造期為一向北西陡傾、略呈左行滑移的正斷層。該斷裂在中更新世以后活動(dòng)性變?nèi)跫爸镣Ｖ筟7]。故淺部極少形成斷裂，缺少屬于第二類(lèi)淺層氣的運(yùn)移通道。本區(qū)屬長(zhǎng)江、錢(qián)塘江沉積范圍，現(xiàn)代沉積作用強(qiáng)烈[8]，河流所攜沉積物中有機(jī)質(zhì)豐富，易于生成生物淺層氣。所以可以認(rèn)為研究區(qū)分布的淺層氣屬于第一類(lèi)自生自儲(chǔ)類(lèi)型。該類(lèi)淺層氣多為第四系淺層生物氣，埋藏深度一般不超過(guò)50m，是由有機(jī)質(zhì)經(jīng)過(guò)生物化學(xué)作用分解而成的可燃?xì)怏w，絕大多數(shù)為甲烷型，成分以甲烷為主；其次為氮?dú)庑停贁?shù)為甲烷—氮?dú)庑?。該種淺層氣與天然氣藏往往沒(méi)有直接的聯(lián)系。

3 調(diào)查方法

淺地層剖面測(cè)量是一種基于聲學(xué)原理的連續(xù)走航式探測(cè)水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法。利用聲波在海水和海底沉積物中的傳播和反向散射特性，對(duì)海底沉積物結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)性探測(cè)，根據(jù)回波時(shí)間先后并用波形振幅、灰度等級(jí)或色彩來(lái)表征回波的強(qiáng)度，繪出剖面，由此獲得直觀的海底淺部地層結(jié)構(gòu)。

利用電火花震源，將儲(chǔ)存在電容器中的電能通過(guò)大功率開(kāi)關(guān)在水中進(jìn)行高壓脈沖電暈放電，電能直接轉(zhuǎn)化成聲能產(chǎn)生聲輻射。這種震源系統(tǒng)具有聲信號(hào)穩(wěn)定，相關(guān)性好，電聲轉(zhuǎn)化率高，分辨率高等特點(diǎn)，在高精度海洋地質(zhì)調(diào)查中具有重要作用。本次調(diào)查的震源采用2000J的擊發(fā)能量，理論上能探測(cè)水下六七十米范圍的地層情況。水聽(tīng)器采用20單元的組合水聽(tīng)器拖纜，纜長(zhǎng)2m，組合水聽(tīng)器能有效提高采集信號(hào)的信噪比。

觀測(cè)系統(tǒng)采用船拖曳式，電火花震源與水聽(tīng)器分別置于船尾兩側(cè)，相距7.5m，兩設(shè)備各后放20m。沿圖2所示的測(cè)線依次逐線采集，船速保持在勻速5節(jié)左右，采用等時(shí)激發(fā)，激發(fā)間隔為6s，采樣頻率為8kHz，采樣長(zhǎng)度400ms。

圖2 淺層地震剖面測(cè)量線路Fig.2 The meterage lines of shallow stratigraphic section measurement

4 淺層氣地震特征

利用專業(yè)地震解釋軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，發(fā)現(xiàn)了大量淺層氣存在的證據(jù)。判別依據(jù)是：地震信號(hào)橫向突變、縱向快速衰減，造成淺部地層反射較弱，下部地層屏蔽或反射減弱甚至造成空白反射等。其主要特征如下：

4.1 頂界面特征

不規(guī)則強(qiáng)反射頂界面：由于海底地層含氣，將造成含氣地層密度降低，地震波縱橫波速度減小，波阻抗相應(yīng)降低，與上覆地層存在較大波阻抗差[9～11]。根據(jù)地震波傳播原理，含氣地層頂界面地震波反射將加強(qiáng)。由于淺層氣屬于游離態(tài)，浮力作用決定了氣體只能上逸或側(cè)向平移，氣體在地層中的滲透極易造成載氣區(qū)的不規(guī)則形態(tài)，因此形成了含氣地層的不規(guī)則強(qiáng)反射頂界面，如圖3所示。而當(dāng)氣體上溢至海底后，常常造成海底氣包或麻坑狀形態(tài)。

圖3 14-1線不規(guī)則強(qiáng)反射頂界面Fig.3 The irregular strong ref l ection top interface of No.14-1 line

頂界面相位倒轉(zhuǎn)：地層含氣造成了縱橫波速度降低，在氣層頂界面形成一個(gè)波阻抗上大下小的界面，此界面致使反射系數(shù)為負(fù)，若氣體的不規(guī)則滲透不是特別明顯，將會(huì)形成一連續(xù)的負(fù)相位的反射波形。因此淺層氣頂界面相對(duì)于周?chē)貙訛橐回?fù)相位波形，且振幅值越大，波形越連續(xù)，含氣量越多，氣層越封閉。

4.2 側(cè)面特征

側(cè)面豎交：資料研究中發(fā)現(xiàn)多處地方出現(xiàn)連續(xù)地層的橫向突變，這是由于氣體上溢特性，大多數(shù)淺層氣區(qū)域在一個(gè)近似垂直的方向上形成陡立界面，視覺(jué)上表現(xiàn)為地震信號(hào)突然變?nèi)趸蛳?，即淺層氣區(qū)域側(cè)面豎交于旁邊地層，如圖4所示。

兩側(cè)相位下拉：含淺層氣較多的地層由于地震波速迅速減小，造成含氣地層中的地震信號(hào)接收時(shí)間相對(duì)滯后,對(duì)于同一層位會(huì)形成含氣地層的相對(duì)于兩側(cè)地層的相位下拉假象，如圖5所示。

圖4 18-2線剖面特征Fig.4 The section features of No.18-2 line

圖5 18-1線剖面特征Fig.5 The section features of No.18-1 line

4.3 整體形態(tài)特征

柱狀擾動(dòng)：橫向范圍較小的淺層氣聚集或上溢通常呈柱狀形態(tài)，其頂界面一般為凸起、尖頂形。一部分淺層氣引起的擾動(dòng)記錄在地震剖面上表現(xiàn)為垂向延伸并豎向穿過(guò)幾乎所有的下伏地層，部分內(nèi)部有可連續(xù)追蹤的地層相位，干擾區(qū)呈豎向條帶狀分布。另一部分的淺層氣擾動(dòng)發(fā)育在特定地層內(nèi)，縱向延展較小，內(nèi)部無(wú)明顯層理，通常不會(huì)產(chǎn)生垂向反射區(qū)切穿下伏地層，表現(xiàn)為囊狀形態(tài)，如圖5所示。

幕狀屏蔽：橫向上延展寬度有限的淺層氣區(qū)域會(huì)產(chǎn)生水平方向的強(qiáng)反射，并完全屏蔽下伏地層反射信號(hào)，從而形成幕狀形態(tài)，見(jiàn)圖6。其頂界面一般不規(guī)則，相對(duì)于兩側(cè)連續(xù)的同相軸有明顯的擾動(dòng)，其兩側(cè)出現(xiàn)明顯的垂向邊界，豎向穿過(guò)并屏蔽下伏連續(xù)地層。

圖6 14-2線幕狀屏蔽Fig.6 The curtain-like shield of No.14-2 line

空白屏蔽：橫向上延展較大的淺層氣區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生的連續(xù)或者斷續(xù)的較強(qiáng)反射界面往往完全屏蔽下伏地層地震信號(hào)，從而形成大片的屏蔽區(qū)域，如圖7所示。在含氣區(qū)表層，頂界面下的擾動(dòng)程度隨淺層氣埋深加大而逐漸增加，常常呈不規(guī)則的起伏。這么大面積的屏蔽一般不是局部構(gòu)造引起的，多為大型盆地沉積或大面積三角洲沉積造成。

圖7 L02-1空白屏蔽Fig.7 The blank shield of No. L02-1 line

5 調(diào)查區(qū)海底天然氣分布規(guī)律

綜合以上分析，區(qū)內(nèi)淺層氣頂界面大部分在時(shí)間剖面上的20～30ms區(qū)間，即埋深大約在15～25m范圍。結(jié)合地質(zhì)解釋，此段大部分為中全新統(tǒng)地層，地層中多為粉砂質(zhì)粘土，利于淺層氣發(fā)育及存儲(chǔ)。

利用上述淺層氣地震特征，對(duì)區(qū)內(nèi)各線資料進(jìn)行淺層氣解釋，分別將其位置投影在平面上；綜合所有測(cè)線解釋結(jié)果，圈出區(qū)內(nèi)淺層氣發(fā)育分布范圍（圖8）。

圖8 杭州灣北部淺層氣分布Fig.8 The shallow gas distribution in the northern area of Hangzhou bay

值得說(shuō)明的是，分布范圍的勾劃是對(duì)于較大的幕狀屏蔽或空白屏蔽范圍和發(fā)育較聚集的小型柱狀擾動(dòng)所進(jìn)行的圈畫(huà)。在空白區(qū)域的個(gè)別地方，也存在較小的和較孤立的柱狀擾動(dòng)，但因其平面范圍較小，未進(jìn)行圈畫(huà)。

由圖8可以看出，區(qū)內(nèi)淺層氣分布較為廣泛。由頂界面初步判斷，含氣區(qū)氣體壓力較小，但具體的詳細(xì)情況還有待鉆孔等手段進(jìn)一步驗(yàn)證。

6 結(jié)論

（1）區(qū)內(nèi)淺層氣分布在河口沉積作用強(qiáng)烈的地區(qū)，多為自生自儲(chǔ)類(lèi)型的第四系淺層生物氣，是由有機(jī)質(zhì)經(jīng)過(guò)生物化學(xué)作用分解而成的可燃?xì)怏w，多為甲烷型。

（2）淺層氣地層因含氣，造成含氣地層縱橫波速度降低，波阻抗減小，在地震剖面上表現(xiàn)為不規(guī)則狀強(qiáng)反射頂界面，部分連續(xù)的頂界面發(fā)生相位翻轉(zhuǎn)，兩側(cè)相位下拉。含氣地層整體形態(tài)呈空白屏蔽、幕狀屏蔽、柱狀擾動(dòng)等特點(diǎn)，兩側(cè)往往豎交于旁邊地層，部分溢出海底，部分閉藏于地層內(nèi)部。

（3）區(qū)內(nèi)淺層氣頂界面大部分表現(xiàn)為不規(guī)則形狀，且埋藏較淺，一般約在15～25m之間，大多發(fā)育在中全新統(tǒng)砂層，初步判斷淺層氣壓力不大，但分布范圍較廣。

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